Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Существовала, однако, очень серьезная проблема. Все соглашались, что вещество ведет себя как волна, но никто не мог объяснить в точности, что именно при этом колеблется. Когда мы говорим о волнах на воде, то понимаем, что речь идет о самой воде, движущейся вверх и вниз; когда говорим о звуковых волнах, мы знаем, что это колеблются молекулы воздуха, перенося звук от источника к приемнику. Для света, как установил Джеймс Клерк Максвелл, «колеблются» электрические и магнитные поля. Но никто не мог сказать точно, что означают волны вещества. Как Тесла и Эйнштейн сказали об электричестве и фотонах, соответственно, одно дело — описать явление и совсем другое — интерпретировать его.

Этот вопрос стал настоящим «пунктиком» для датского физика Нильса Бора и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг работал под руководством Бора в одном из институтов Копенгагена. Вместе они собрали все имевшиеся на тот момент сведения по квантовой физике в непротиворечивую систему, известную нам сегодня как Копенгагенская интерпретация квантовой механики. Если коротко: вещественная волна электронов и других частиц не является физической волной, а связана с вероятностью того, что некая частица окажется в какой-то определенной точке пространства в определенное время. Высокая волна соответствует высокой вероятности того, что частица окажется в нужном месте, тогда как низкая волна соответствует низкой вероятности.

Однако, когда мы измеряем пространственное положение квантовой частицы, то никогда не видим всю волну целиком: мы видим частицу, расположенную в какой-то определенной точке пространства. Ключевой компонент Копенгагенской интерпретации — идея о коллапсе или редукции волновой функции : когда кто-то пытается измерить положение частицы, ее волна «схлопывается», или «коллапсирует», в конкретную точку, которая и представляет местонахождение частицы. Вследствие этого любое измерение квантовой частицы кардинально меняет ее поведение. Более того, Копенгагенская интерпретация предполагает, что до измерения квантовая частица не находится определенно ни в одной точке, и, только когда эту частицу измеряют, она «решает» каким-то загадочным образом, где конкретно она в этот момент хочет находиться.

Если вам эта интерпретация кажется странной, вы не одиноки. Вы оказываетесь в компании с самим Шрёдингером, который считал, что Копенгагенская интерпретация может привести к абсурдным результатам. Он заметил, что можно сделать так, чтобы существование живого существа, скажем кошки, зависело от поведения одной-единственной квантовой частицы, такой как атом. «Можно привести совсем уж нелепые случаи», — написал он в 1935 г. и привел пример.

Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Волновая функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях {10} .

Эта схема, в слегка модифицированном виде, изображена на рисунке.

Шрёдингер сказал, по существу, что квантовый мир Копенгагенской интерпретации кардинально отличается от того мира, с которым мы сталкиваемся в повседневности. Когда мы бросаем монетку и, не глядя, закрываем ее ладонью, то знаем, что монетка уже лежит либо орлом, либо решкой кверху. Однако, согласно Копенгагенской интерпретации, «квантовая» монетка должна находиться в волноподобном состоянии одновременно орла и решки, пока мы на самом деле на нее не посмотрим. Но это порождает дополнительную проблему: что заставляет схлопываться волновую функцию? В лаборатории, как несложно себе представить, коллапс волновой функции вызывает человек-ученый, который считывает с инструментов данные о результатах эксперимента, но философски из этого следует особая роль, которую человеческие существа играют в космосе, — идея, от которой наука безвозвратно отошла уже несколько столетий назад.

Эйнштейн одобрил критическое выступление Шрёдингера. В письме 1950 г. он писал:

Вы единственный современный физик, за исключением Лауэ, который понимает, что невозможно обойти постулат реальности — если только быть честным. Большинство из них попросту не понимают, в какого рода опасную игру они играют с реальностью — реальностью как чем-то независимым от того, что экспериментально установлено…

Эта интерпретация, однако, опровергается, и наиболее элегантно — вашей системой: радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пистолета + кот в ящике, в котором [волновая функция] системы держит кота одновременно живым и разорванным на кусочки… Никто реально не сомневается, что присутствие или отсутствие кота есть нечто независимое от акта наблюдения {11} .

Эйнштейн предпочитал ядовитому газу выстрел в кота. Мы можем только гадать, почему Шрёдингер решил отравить именно кота. Сам он кота не держал, хотя домашний любимец у него был. Во время Второй мировой войны колли по имени Бёрши служил ему компаньоном и источником утешения во многих жизненных испытаниях.

Несмотря на философские ограничения, Копенгагенская интерпретация квантовой физики до сих пор преподается студентам и используется в качестве практичной модели происходящего в квантовом мире. Тому есть две простые причины. Во-первых, она достаточно хорошо работает при интерпретации и объяснении всех квантовых лабораторных экспериментов до сего дня, а возражения вызывает интерпретация, в первую очередь философская. Эта философия, несмотря на всю свою значимость, не замедляет экспериментального изучения квантового мира. Во-вторых, даже теперь, 80 лет спустя, никто не может точно сказать, чем можно ее заменить. Одна из популярных сегодня теорий, предусматривающая существование бесконечного множества параллельных вселенных, первоначально называлась многомировой интерпретацией квантовой механики. В ней кот Шрёдингера жив в одной вселенной, мертв в другой, а волновые свойства квантовой механики представляют некое взаимодействие между вселенными. Пока ученым неизвестен способ проверить, существуют ли такие параллельные вселенные, но для многих физиков многомировая теория стала предпочтительным средством интерпретации странностей квантовой физики.